一次脑残的记录：Linux 中实时任务调度与优先级，


失败是成功之母，这篇文章就是一次真实的失败调试记录。

通过这篇文章，您能深刻体验到 Linux 系统中下面几个概念：

背景知识：Linux 调度策略

关于进程的调度策略，不同的操作系统有不同的整体目标，因此调度算法也就各不相同。

这需要根据进程的类型(计算密集型?IO密集型?)、优先级等因素来进行选择。

对于 Linux x86 平台来说，一般采用的是 CFS：完全公平调度算法。

之所以叫做完全公平，是因为操作系统以每个线程占用 CPU 的比率来进行动态的计算，操作系统希望每一个进程都能够平均的使用 CPU 这个资源，雨露均沾。

我们在创建一个线程的时候，默认就是这个调度算法 SCHED_OTHER，默认的优先级为 0。

  • PS: 在 Linux 操作系统中，线程的内核对象与进程的内核对象(其实就是一些结构体变量)是很类似的，所以线程可以说是轻量级的进程。
  • 在本文中，可以把线程约等于进程，有的地方也可能称为任务，在不同的语境下有一些不同的惯用说法。

可以这么理解：如果系统中一共有 N 个进程，那么每个进程会得到 1/N 的执行机会。每个进程执行一段时间之后，就被调出，换下一个进程执行。

如果这个 N 的数量太大了，导致每个进程刚开始执行时，分给它的时间就到了。如果这个时候就进行任务调度，那么系统的资源就耗费在进程上下文切换上去了。

因此，操作系统引入了最小粒度，也就是每个进程都有一个最小的执行时间保证，称作时间片。

除了 SCHED_OTHER 调度算法，Linux 系统还支持两种实时调度策略：

  • 1. SCHED_FIFO：根据进程的优先级进行调度，一旦抢占到 CPU 则一直运行，直达自己主动放弃或被被更高优先级的进程抢占;
  • 2. SCHED_RR：在 SCHED_FIFO 的基础上，加上了时间片的概念。当一个进程抢占到 CPU 之后，运行到一定的时间后，调度器会把这个进程放在 CPU 中，当前优先级进程队列的末尾，然后选择另一个相同优先级的进程来执行;

本文想测试的就是 SCHED_FIFO 与普通的 SCHED_OTHER 这两种调度策略混合的情况。

背景知识：Linux 线程优先级

在 Linux 系统中，优先级的管理显得比较混乱，先看下面这张图：

这张图表示的是内核中的优先级，分为两段。

前面的数值 0-99 是实时任务，后面的数值 100-139 是普通任务。

数值越低，代表这个任务的优先级越高。

数值越低，代表这个任务的优先级越高。

数值越低，代表这个任务的优先级越高。

再强调一下，以上是从内核角度来看的优先级。

好了，重点来了：

我们在应用层创建线程的时候，设置了一个优先级数值，这是从应用层角度来看的优先级数值。

但是内核并不会直接使用应用层设置的这个数值，而是经过了一定的运算，才得到内核中所使用的优先级数值(0 ~ 139)。

1. 对于实时任务

我们在创建线程的时候，可以通过下面这样的方式设置优先级数值(0 ~ 99)：

  1. struct sched_param param; 
  2. param.__sched_priority = xxx; 

当创建线程函数进入内核层面的时候，内核通过下面这个公式来计算真正的优先级数值：

  1. kernel priority = 100 - 1 - param.__sched_priority 

如果应用层传入数值 0，那么在内核中优先级数值就是 99(100 - 1 - 0 = 99)，在所有实时任务中，它的优先级是最低的。

如果应用层传输数值 99，那么在内核中优先级数值就是 0(100 - 1 - 99 = 0)，在所有实时任务中，它的优先级是最高的。

因此，从应用层的角度看，传输人优先级数值越大，线程的优先级就越高;数值越小，优先级就越低。

与内核角度是完全相反的!

2. 对于普通任务

调整普通任务的优先级，是通过 nice 值来实现的，内核中也有一个公式来把应用层传入的 nice 值，转成内核角度的优先级数值：

  1. kernel prifoity = 100 + 20 + nice 

nice 的合法数值是：-20 ~ 19。

如果应用层设置线程 nice 数值为 -20，那么在内核中优先级数值就是 100(100 + 20 + (-20) = 100)，在所有的普通任务中，它的优先级是最高的。

如果应用层设置线程 nice 数值为 19，那么在内核中优先级数值就是 139(100 +20 +19 = 139)，在所有的普通任务中，它的优先级是最低的。

因此，从应用层的角度看，传输人优先级数值越小，线程的优先级就越高;数值越大，优先级就越低。

与内核角度是完全相同的!

背景知识交代清楚了，终于可以进行代码测试了!

测试代码说明

注意点：

  1. // filename: test.c 
  2. #define _GNU_SOURCE 
  3. #include <unistd.h>   
  4. #include <stdio.h> 
  5. #include <stdlib.h> 
  6. #include <sched.h> 
  7. #include <pthread.h> 
  8.  
  9. // 用来打印当前的线程信息：调度策略是什么？优先级是多少？ 
  10. void get_thread_info(const int thread_index) 
  11. { 
  12.     int policy; 
  13.     struct sched_param param; 
  14.  
  15.     printf("\n====> thread_index = %d \n", thread_index); 
  16.  
  17.     pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, &param); 
  18.     if (SCHED_OTHER == policy) 
  19.         printf("thread_index %d: SCHED_OTHER \n", thread_index); 
  20.     else if (SCHED_FIFO == policy) 
  21.         printf("thread_index %d: SCHED_FIFO \n", thread_index); 
  22.     else if (SCHED_RR == policy) 
  23.         printf("thread_index %d: SCHED_RR \n", thread_index); 
  24.  
  25.     printf("thread_index %d: priority = %d \n", thread_index, param.sched_priority); 
  26. } 
  27.  
  28. // 线程函数， 
  29. void *thread_routine(void *args) 
  30. { 
  31.     // 参数是：线程索引号。四个线程，索引号从 1 到 4，打印信息中使用。 
  32.     int thread_index = *(int *)args; 
  33.      
  34.     // 为了确保所有的线程都创建完毕，让线程睡眠1秒。 
  35.     sleep(1); 
  36.  
  37.     // 打印一下线程相关信息：调度策略、优先级。 
  38.     get_thread_info(thread_index); 
  39.  
  40.     long num = 0; 
  41.     for (int i = 0; i < 10; i++) 
  42.     { 
  43.         for (int j = 0; j < 5000000; j++) 
  44.         { 
  45.             // 没什么意义，纯粹是模拟 CPU 密集计算。 
  46.             float f1 = ((i+1) * 345.45) * 12.3 * 45.6 / 78.9 / ((j+1) * 4567.89); 
  47.             float f2 = (i+1) * 12.3 * 45.6 / 78.9 * (j+1); 
  48.             float f3 = f1 / f2; 
  49.         } 
  50.          
  51.         // 打印计数信息，为了能看到某个线程正在执行 
  52.         printf("thread_index %d: num = %ld \n", thread_index, num++); 
  53.     } 
  54.      
  55.     // 线程执行结束 
  56.     printf("thread_index %d: exit \n", thread_index); 
  57.     return 0; 
  58. } 
  59.  
  60. void main(void) 
  61. { 
  62.     // 一共创建四个线程：0和1-实时线程，2和3-普通线程(非实时) 
  63.     int thread_num = 4; 
  64.      
  65.     // 分配的线程索引号，会传递给线程参数 
  66.     int index[4] = {1, 2, 3, 4}; 
  67.  
  68.     // 用来保存 4 个线程的 id 号 
  69.     pthread_t ppid[4]; 
  70.      
  71.     // 用来设置 2 个实时线程的属性：调度策略和优先级 
  72.     pthread_attr_t attr[2]; 
  73.     struct sched_param param[2]; 
  74.  
  75.     // 实时线程，必须由 root 用户才能创建 
  76.     if (0 != getuid()) 
  77.     { 
  78.         printf("Please run as root \n"); 
  79.         exit(0); 
  80.     } 
  81.  
  82.     // 创建 4 个线程 
  83.     for (int i = 0; i < thread_num; i++) 
  84.     { 
  85.         if (i <= 1)    // 前2个创建实时线程 
  86.         { 
  87.             // 初始化线程属性 
  88.             pthread_attr_init(&attr[i]); 
  89.              
  90.             // 设置调度策略为：SCHED_FIFO 
  91.             pthread_attr_setschedpolicy(&attr[i], SCHED_FIFO); 
  92.              
  93.             // 设置优先级为 51，52。 
  94.             param[i].__sched_priority = 51 + i; 
  95.             pthread_attr_setschedparam(&attr[i], &param[i]); 
  96.              
  97.             // 设置线程属性：不要继承 main 线程的调度策略和优先级。 
  98.             pthread_attr_setinheritsched(&attr[i], PTHREAD_EXPLICIT_SCHED); 
  99.              
  100.             // 创建线程 
  101.             pthread_create(&ppid[i], &attr[i],(void *)thread_routine, (void *)&index[i]); 
  102.         } 
  103.         else        // 后两个创建普通线程 
  104.         { 
  105.             pthread_create(&ppid[i], 0, (void *)thread_routine, (void *)&index[i]); 
  106.         } 
  107.          
  108.     } 
  109.  
  110.     // 等待 4 个线程执行结束 
  111.     for (int i = 0; i < 4; i++) 
  112.         pthread_join(ppid[i], 0); 
  113.  
  114.     for (int i = 0; i < 2; i++) 
  115.         pthread_attr_destroy(&attr[i]); 
  116. } 

编译成可执行程序的指令：

  1. gcc -o test test.c -lpthread 

脑残测试开始

首先说一下预期结果，如果没有预期结果，那其他任何问题都压根不用谈了。

一共有 4 个线程：

我的测试环境是：Ubuntu16.04，是一台安装在 Windows10 上面的虚拟机。

我期望的结果是：

我满怀希望的在工作电脑中测试，打印结果如下：

  1. ====> thread_index = 4  
  2. thread_index 4: SCHED_OTHER  
  3. thread_index 4: priority = 0  
  4.  
  5. ====> thread_index = 1  
  6. thread_index 1: SCHED_FIFO  
  7. thread_index 1: priority = 51  
  8.  
  9. ====> thread_index = 2  
  10. thread_index 2: SCHED_FIFO  
  11. thread_index 2: priority = 52  
  12. thread_index 2: num = 0  
  13. thread_index 4: num = 0  
  14.  
  15. ====> thread_index = 3  
  16. thread_index 3: SCHED_OTHER  
  17. thread_index 3: priority = 0  
  18. thread_index 1: num = 0  
  19. thread_index 2: num = 1  
  20. thread_index 4: num = 1  
  21. thread_index 3: num = 0  
  22. thread_index 1: num = 1  
  23. thread_index 2: num = 2  
  24. thread_index 4: num = 2  
  25. thread_index 3: num = 1 
  26.  
  27. 后面打印内容不用输出了，因为前面已经出现了问题。 

问题很明显：为什么 4 个线程为什么被同时执行了?

1 号和 2 号这两个线程应该被优先执行啊，因为它俩是实时任务!

怎么结果是这个样子?彻底凌乱了，一点都不符合预期!

想不出个所以然，只能求助网络!但是没有找到有价值的线索。

其中有一个信息涉及到 Linux 系统的调度策略，这里记录一下。

Linux 系统中，为了不让实时任务彻底占据 CPU 资源，会让普通任务有很小的一段时间缝隙来执行。

在目录 /proc/sys/kernel 下面，有 2 个文件，用来限制实时任务占用 CPU 的时间：

  • sched_rt_runtime_us: 默认值 950000 sched_rt_period_us: 默认值 1000000

意思是：在 1000000 微秒(1秒)的周期内，实时任务占用 950000 微秒(0.95秒)，剩下的 0.05 秒留给普通任务。

如果没有这个限制的话，假如某个 SCHED_FIFO 任务的优先级特别高，恰巧出了 bug：一直占据 CPU 资源不放弃，那么我们压根就没有机会来 kill 掉这个实时任务，因为此时系统无法调度其他的任何进程来执行。

而有了这个限制呢，我们就可以利用这 0.05 秒的执行时间，来 kill 掉有 bug 的那个实时任务。

回到正题：资料上说，如果实时任务没有被优先调度，可以把这个时间限制删掉就可以了。方法是：

  1. sysctl -w kernel.sched_rt_runtime_us=-1 

我照做之后，依旧无效!

换一台虚拟机，继续测试

难道是电脑环境的问题吗?于是，把测试代码放到另一台笔记本里的虚拟机 Ubuntu14.04 里测试。

编译的时候，有一个小问题，提示错误：

  1. error: ‘for’ loop initial declarations are only allowed in C99 mode 

只要把编译指令中添加 C99 标准就可以了：

  1. gcc -o test test.c -lpthread -std=c99 

执行程序，打印信息如下：

  1. ====> thread_index = 2  
  2.  
  3. ====> thread_index = 1  
  4. thread_index 1: SCHED_FIFO  
  5. thread_index 1: priority = 51  
  6. thread_index 2: SCHED_FIFO  
  7. thread_index 2: priority = 52  
  8. thread_index 1: num = 0  
  9. thread_index 2: num = 0  
  10. thread_index 2: num = 1  
  11. thread_index 1: num = 1  
  12. thread_index 2: num = 2  
  13. thread_index 1: num = 2  
  14. thread_index 2: num = 3  
  15. thread_index 1: num = 3  
  16. thread_index 2: num = 4  
  17. thread_index 1: num = 4  
  18. thread_index 2: num = 5  
  19. thread_index 1: num = 5  
  20. thread_index 2: num = 6  
  21. thread_index 1: num = 6  
  22. thread_index 2: num = 7  
  23. thread_index 1: num = 7  
  24. thread_index 2: num = 8  
  25. thread_index 1: num = 8  
  26. thread_index 2: num = 9  
  27. thread_index 2: exit  
  28.  
  29. ====> thread_index = 4  
  30. thread_index 4: SCHED_OTHER  
  31. thread_index 4: priority = 0  
  32. thread_index 1: num = 9  
  33. thread_index 1: exit  
  34.  
  35. ====> thread_index = 3  
  36. thread_index 3: SCHED_OTHER  
  37. thread_index 3: priority = 0  
  38. thread_index 3: num = 0  
  39. thread_index 4: num = 0  
  40. thread_index 3: num = 1  
  41. thread_index 4: num = 1  
  42. thread_index 3: num = 2  
  43. thread_index 4: num = 2  
  44. thread_index 3: num = 3  
  45. thread_index 4: num = 3  
  46. thread_index 3: num = 4  
  47. thread_index 4: num = 4  
  48. thread_index 3: num = 5  
  49. thread_index 4: num = 5  
  50. thread_index 3: num = 6  
  51. thread_index 4: num = 6  
  52. thread_index 3: num = 7  
  53. thread_index 4: num = 7  
  54. thread_index 3: num = 8  
  55. thread_index 4: num = 8  
  56. thread_index 3: num = 9  
  57. thread_index 3: exit  
  58. thread_index 4: num = 9  
  59. thread_index 4: exit 

1 号和 2 号线程同时执行，完毕之后，再 3 号和 4 号线程同时执行。

但是这同样也不符合预期：2 号线程的优先级比 1 号线程高，应该优先执行才对!

不知道应该怎么查这个问题了，想不出思路，只好请教 Linux 内核的大神，建议检查一下内核版本。

这时，我才想起来在 Ubuntu16.04 这台虚拟机上因为某种原因，降过内核版本。

往这个方向去排查了一下，最后确认也不是内核版本的差异导致的问题。

比较结果，寻找差异

只好再回过头来看一下这两次次打印信息的差异：

突然, CPU 的亲和性从脑袋里蹦了出来!

紧接着立马感觉到问题出在哪里了：这TMD大概率就是多核引起的问题!

于是我把这 4 个线程都绑定到 CPU0 上去，也就是设置 CPU 亲和性。

在线程入口函数 thread_routine 的开头，增加下面的代码：

  1. cpu_set_t mask; 
  2. int cpus = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF); 
  3. CPU_ZERO(&mask); 
  4. CPU_SET(0, &mask); 
  5. if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(mask), &mask) < 0) 
  6. { 
  7.     printf("set thread affinity failed! \n"); 
  8. } 

然后继续在 Ubuntu16.04 虚拟机中验证，打印信息很完美，完全符合预期：

  1. ====> thread_index = 1  
  2.  
  3. ====> thread_index = 2  
  4. thread_index 2: SCHED_FIFO  
  5. thread_index 2: priority = 52  
  6. thread_index 2: num = 0  
  7. 。。。 
  8. thread_index 2: num = 9  
  9. thread_index 2: exit  
  10. thread_index 1: SCHED_FIFO  
  11. thread_index 1: priority = 51  
  12. thread_index 1: num = 0  
  13. 。。。 
  14. thread_index 1: num = 9  
  15. thread_index 1: exit  
  16.  
  17. ====> thread_index = 3  
  18. thread_index 3: SCHED_OTHER  
  19. thread_index 3: priority = 0  
  20.  
  21. ====> thread_index = 4  
  22. thread_index 4: SCHED_OTHER  
  23. thread_index 4: priority = 0  
  24. thread_index 3: num = 0  
  25. thread_index 4: num = 0  
  26. 。。。 
  27. thread_index 4: num = 8  
  28. thread_index 3: num = 8  
  29. thread_index 4: num = 9  
  30. thread_index 4: exit  
  31. thread_index 3: num = 9  
  32. thread_index 3: exit 

至此，问题真相大白：就是多核处理器导致的问题!

而且这两台测试的虚拟机，安装的时候分配的 CPU 核心是不同的，所以才导致打印结果的不同。

真相大白

最后，再确认一下这 2 个虚拟机中的 CPU 信息：

Ubuntu 16.04 中 cpuinfo 信息：

  1. $ cat /proc/cpuinfo  
  2. processor : 0 
  3. vendor_id : GenuineIntel 
  4. cpu family : 6 
  5. model  : 158 
  6. model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz 
  7. stepping : 10 
  8. cpu MHz  : 2807.996 
  9. cache size : 9216 KB 
  10. physical id : 0 
  11. siblings : 4 
  12. core id  : 0 
  13. cpu cores : 4 
  14. 。。。其他信息 
  15.  
  16. processor : 1 
  17. vendor_id : GenuineIntel 
  18. cpu family : 6 
  19. model  : 158 
  20. model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz 
  21. stepping : 10 
  22. cpu MHz  : 2807.996 
  23. cache size : 9216 KB 
  24. physical id : 0 
  25. siblings : 4 
  26. core id  : 1 
  27. cpu cores : 4 
  28. 。。。其他信息 
  29.  
  30. processor : 2 
  31. vendor_id : GenuineIntel 
  32. cpu family : 6 
  33. model  : 158 
  34. model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz 
  35. stepping : 10 
  36. cpu MHz  : 2807.996 
  37. cache size : 9216 KB 
  38. physical id : 0 
  39. siblings : 4 
  40. core id  : 2 
  41. cpu cores : 4 
  42. 。。。其他信息 
  43.  
  44. processor : 3 
  45. vendor_id : GenuineIntel 
  46. cpu family : 6 
  47. model  : 158 
  48. model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz 
  49. stepping : 10 
  50. cpu MHz  : 2807.996 
  51. cache size : 9216 KB 
  52. physical id : 0 
  53. siblings : 4 
  54. core id  : 3 
  55. cpu cores : 4 
  56. 。。。其他信息 

在这台虚拟机中，正好有 4 个核心，而我的测试代码正好也创建了 4 个线程，于是每个核心被分配一个线程，一个都不闲着，同时执行。

因此打印信息中显示 4 个线程是并行执行的。

这个时候，什么调度策略、什么优先级，都不起作用了!(准确的说：调度策略和优先级，在线程所在的那个 CPU 中是起作用的)

如果我在测试代码中，一开始就创建 10 个线程，很可能会更快发现问题!

再来看看笔记本电脑里虚拟机 Ubuntu14.04 的 CPU 信息：

  1. $ cat /proc/cpuinfo  
  2. processor   : 0 
  3. vendor_id   : GenuineIntel 
  4. cpu family  : 6 
  5. model       : 142 
  6. model name  : Intel(R) Core(TM) i5-7360U CPU @ 2.30GHz 
  7. stepping    : 9 
  8. microcode   : 0x9a 
  9. cpu MHz     : 2304.000 
  10. cache size  : 4096 KB 
  11. physical id : 0 
  12. siblings    : 2 
  13. core id     : 0 
  14. cpu cores   : 2 
  15. 。。。其他信息 
  16.  
  17.  
  18. processor   : 1 
  19. vendor_id   : GenuineIntel 
  20. cpu family  : 6 
  21. model       : 142 
  22. model name  : Intel(R) Core(TM) i5-7360U CPU @ 2.30GHz 
  23. stepping    : 9 
  24. microcode   : 0x9a 
  25. cpu MHz     : 2304.000 
  26. cache size  : 4096 KB 
  27. physical id : 0 
  28. siblings    : 2 
  29. core id     : 1 
  30. cpu cores   : 2 
  31. 。。。其他信息 

在这台虚拟机中，有 2 个核心，于是 2 个实时任务 1 号和 2 号被优先执行(因为是 2 个核心同时执行，所以这 2 个任务的优先级也就没什么意义了)，结束之后，再执行 3 号和 4 号线程。

再思考一下

这一圈测试下来，真的想用键盘敲自己的脑袋，怎么就没有早点考虑到多核的因素呢?!

深层的原因：

随着 x86 平台在工控领域的逐渐应用，实时性问题就显得更突出、更重要了。

所以才有了 Windows 系统中的 intime，Linux 系统中的 preempt、xenomai 等实时补丁。

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